探地雷达数据处理及在交通土建中的应用

王兴舟关长禄吕得保

吉林省交通基本建设质量监督站

摘要：前探地雷达已经广泛应用在建筑、铁路、公路、水利等领域，阐述了探地雷达的原理、组成及参数及方式，介绍了直流成分消除、时间零校正、直达波消除、时间增益、反褶积等探地雷达数据处理方法，通过实例介绍了探地雷达在公路隧道等交通土建工程中的应用。

关键词：探地雷达；数据处理；探地雷达图像

Data Processing of Ground Penetrating Radar and Civil Application in Traffic 探地雷达(Ground Penetrating Radar简称为GPR) 也称地质雷达、脉冲雷达或透视雷达，是利用高频脉冲电磁波的反射回波探测地下目标体分布形态与特征的一种技术，是对探测体内不可见的目标体或界面进行探测的电磁技术。目前探地雷达已经广泛应用在建筑、铁路、公路、水利、电力、采矿、航空、考古、市政建设等领域。笔者多年来一直应用探地雷达，进行了大量的公路路基路面和隧道实践检测和数据分析整理，在雷达应用研究方面取得了一定效果。

1探地雷达的原理、组成及参数及方式

1.1探地雷达的原理

探地雷达发射电磁波，电磁波在介质特

性发生变化的界面上发生反射，电磁波在传Array播过程中，其路径、电磁场强度与波形将随

所通过介质的介电性质及几何形态的变化而

产生不同程度的变化，根据回波信号的时延、

形状及频谱特性等参数，解译出目的体的深

度、介质结构及性质。探地雷达测量原理如

图1所示。图1 探地雷达测量原理图

1.2探地雷达系统组成及参数及方式

目前国内外的商业系统的探地雷达种类很多，然而其组成基本一样，主要包括控制单元、发射机、接收机、天线、信号处理机和成像显示设备、电源等。

1.3探地雷达测量参数及方式

在不同的应用场合，所需要探测的对象千差万别，因此在进行探测之前，除了需要确定合理的测量的方法以外，探测时参数的选择也是决定测量效果的一个决定因素。探测参数包括天线中心频率、时窗、采样率、测点点距与发射、接收天线距离等。探地雷达采用高频电磁波的形式进行探测。因而其运动学规律与地震勘探方法类似。地震勘探方法的数据采集方式也被借鉴到探地雷达方法的野外测量。其中包括反射、折射和透射的测量方式。

2探地雷达数据处理

现在很多厂家提供的软件一般都有数据处理功能，在应用中应该熟练掌握这些功能，有

助于准确解释雷达图像。

2.1探地雷达数据预处理

探地雷达野外采集得到的原始数据既包含有用信息，也包含各种噪声，有些情况下有用信息可能被噪声淹没，数据处理的目的是压制噪声，增强信号，提高资料信噪比，以便从数据中提取速度、振幅、频率、相位等特征信息，对资料进行解释。预处理有直流成分消除、时间零校正、直达波消除、时间增益、反褶积等。

2.1.1直流成分消除：有时在雷达剖面上的数据会出现全是正的或全是负的或正负半周不对称的情况，这是数据含有直流漂移量，处理的方法是：首先对数据求和，除以采样点数，得到平均值，然后从原始数据中减去这个值，就得到了处理的结果如图3。

2.1.2时间零校正：由于雷达记录的起始时间比脉冲的触发时间早，因此记录信号的初次起跳比实际的要落后一些。因此需要对记录的信号向前提一些，才能反映真正的情况，图4为时间零校正后的图像。

2.1.3直达波消除：雷达信号包含空气波、地波和目标的反射波，从幅度上讲，空气波和地波远远大于反射波。我们主要想利用反射信号，因此空气波和地波变成干扰信号，需要消除或抑止。这里，我们利用直达波信号在水平方向分布一致的特征，计算信号在水平方向的平均值，并把前面的几个周期的信号作为直达信号，然后从总的信号中减去直达信号，即可在一定程度上消除直达波的干扰，图5为消除直达波后的图像。

2.1.4时间增益：时间增益对数据处理最基本的一步。雷达信号在地层中传播时会快速衰减。来自深部的信号常常很弱，把它和浅部的信号放在一起显示是很困难的。当浅部信号的幅度的显示非常适合时，来自深部的同相周可能看不见或者无法区分。通过应用某种时间依赖的增益函数来平衡增幅可以补差深部雷达信号的快速下降，这个过程称为时间增益，图6为增益放大以后的数据图像。

2.1.5反褶积：雷达数据的每一条扫描线都是由多个子波褶积在一起的，为提高分辨率应用反褶积处理，反褶积的功能是拓宽频带改造脉冲波提高垂直分辨率，图7为反褶积后的数据图像。

图2 原始数据图3 消除直流成分以后的数据

图4 零时刻校正后的数据图5 消除直达波以后的数据

图6 增益放大以后的数据图7 反褶积以后的数据

2.2数据图像偏移

探地雷达接收来自介质界面的反射波，介质交界面的反射点，只要其法平面通过测点，都可以被记录下来。在资料处理中需要把雷达记录中的每个反射点移到其原来的位置，这种处理方法称为偏移归位处理。经过偏移处理的雷达剖面可反映地下介质的真实位置。

图8 偏移处理前 (左)和处理后(右)的图像

3某高速公路应用实例

3.1.1水泥砼路面检测

图9为采用400MHz和900MHz双天线同时测量某一段路面经数据处理的雷达图像剖面，上部分为900MHz天线检测剖面，下部分为400MHz天线检测剖面，从检测剖面上看以出同相轴连续性强，面层与基层及基层与底基层分界面很容易识别。同时可以容易看出900MHz天线对面层和基层分界面的分辨比400MHz天线要清晰的多，但是对底基层的反射信号就弱了很多。我们在路面检测过程，如果只是检测面层的厚度，采用900MHz天线就可以，可以提高检测精度。如果要检测底基层的质量，应使用400MHz天线。

图9 900MHz（上）和400MHz（下）路面厚度检测剖面图10 400MHz天线检测某隧道衬砌厚度雷达图像

3.1.2检测隧道衬砌厚度雷达图像

隧道衬砌介质较均匀，杂乱反射较少，多为低频弱反射波，频谱以低频为主；围岩中岩体结构复杂，杂乱反射很多，多为高频不连续波，频谱以高频为主。图10为某隧道衬砌的采用400MHz天线雷达检测图像。上部为原始图像，下部为经滤波、反褶积处理后的图像，可以看出经数据处理后精度明显提高。该处衬砌设计厚度为60cm，雷达检测厚度的变化范围为55~70cm之间，局部有超挖和欠挖现象，该段衬砌与围岩的分界面比较明显，同相轴连续可追踪。

3.1.3隧道衬砌后脱空区雷达图像

混凝土和空气的电性差异较大，当电磁波在混凝土与空气、空气与围岩之间传播时，上下两个界面会产生两次强反射，雷达剖面上会出现双曲线形态的强反射波，其同相轴与相邻道发生错位，依此特征可确定出空洞的位置、分布范围。图空区域的雷达检测剖面主要呈现如下特征：第一个鲜明的特征就是反射波特别强且频率高，因为空气与围岩、混凝土介质的介电常数差异明显；第二个特点就是多次波比较发育，接收到的反射波持续时间很长；第三个特点是空洞最先到的反射振相与表面反射相位相反，因为电磁波是从低速介质进入高速介质，而在表面是从高速介质进入低速介质。图11为隧道检测检测实例。

图11 隧道衬砌与围岩间的脱空雷达图像图 12 某隧道衬砌400MHz天线探地雷达检测剖面3.1.4隧道富水区雷达图像

混凝土衬砌一旦富水，其介电常数积聚增大，与周围区域形成一个明显的差异，反映到雷达剖面上：第一个鲜明的特征就是反射波振幅强频率低，形成一个明显的强振幅区；第二个特点就是多次波比较发育，接收到的反射波持续时间很长，一般呈现为水平强振幅，而不是类似钢筋的双曲强振幅；第三个特点是渗水部位最先到的反射振相与表面反射相位同相，因为电磁波是从高速介质进入低速介质。图12为检测实例。

3.1.5隧道初支钢架雷达图像

隧道初支钢架是良导体，对电磁波全反射，

在雷达记录中的表现是一系列的强反射弧，形

如半开的伞状，第一反射振相与表面反射波同

相。并且多次反射波比较严重。识别起来比较

容易，如果钢筋的分布比较稀疏，从雷达图像

的剖面上就可以直接进行判读，图13为检测实

例，其中上部分为原始图像，下部分为处理后

的图像。图13

某隧道衬砌400MHz天线探地雷达检测剖面4小结

（1）探地雷达是一种有无损、高效的检测手段，值得研究和在工程无损检测中推广应用。

（2）探地雷达记录的信号丰富，外界电磁干扰多，发射的子波复杂，导致图像数据复杂，雷达采集的数据解读是一项重要复杂的工作，要做好这项工作除了具有坚实的理论基础外，还要有大量的实践经验。直流成分消除、时间零校正、直达波消除、增益放大、反褶积及图像偏移等数据图像处理对于解释雷达数据图像非常重要，有时图像经处理后才能正确解读。

（3）要采集高质量的数据图像在检测过程中必须尽量避免和压制噪声，增强有效信号，如远离通讯设施，天线远离高导电高导磁物体，在现场采集时根据现场情况选择合理的参数有意突出检测的目标体。

（4）探地雷达用在路面厚度检测中比较准确可靠，在隧道质量检测时要保证可靠的精度需要检测人员具备丰富的经验，其中定性检测较准确，定量检测有时偏差较大，需要做进一步研究。